Domaine technique de l'invention
L'invention se rapporte à un procédé de
fabrication d'un alliage intermétallique fer-aluminium,
à un alliage intermétallique fer-aluminium pouvant être
obtenu par ledit procédé, et à un élément constitué
d'un tel alliage.
Les alliages intermétalliques fer-aluminium
présentent, par rapport aux autres alliages
structuraux, des propriétés particulières qui sont une
faible densité et une résistance spécifique, c'est-à-dire
une propriété rapportée à la densité du matériau,
élevée comparée aux aciers et aux superalliages. Ils
présentent par exemple une rigidité spécifique élevée
comparée aux alliages légers, aux aciers et aux
alliages de nickel, une ductilité élevée comparée à
celle des autres intermétalliques tels que TiAl et
NiAl, une résistance mécanique élevée jusqu'à 700°C par
rapport aux alliages d'aluminium et aux composites à
matrice organique, une résistance à la corrosion sèche
élevée par rapport à la plupart des aciers et
superalliages inoxydables, et un faible coût des
matériaux de base.
L'ensemble de ces propriétés permet de considérer
ces alliages comme des substituts possibles aux
alliages légers, aux aciers ou aux superalliages, pour
des applications industrielles exploitant leurs
propriétés particulières. En effet, une densité réduite
de 25% par rapport aux aciers et alliages de nickel,
pour des propriétés et moyens de mise en oeuvre
comparables par ailleurs, permet d'envisager une
réduction de poids de pièces structurales aéronautiques
et spatiales telles que des pièces de boulonnerie, des
trains d'atterrissage, des pièces de systèmes de
freinage, etc... La résistance spécifique élevée de ces
alliages permet également d'envisager les applications
en substitution d'alliages à haute résistance tels des
aciers et superalliages, utilisés pour la fabrication
de pièces critiques en mouvement de moteur thermique et
de turbomachines, tels que des soupapes, des axes et
arbres, des aubes de turbine. La réduction de masse de
tels composants réduit généralement les problèmes
d'inertie, de frottement et de vibrations, et entraíne
de ce fait une possible réduction de masse d'autres
composants tels que des paliers, des ressorts, des
systèmes d'attache et de refroidissement, intervenant
dans les mouvements de ces pièces critiques.
La rigidité spécifique constitue une propriété
particulièrement intéressante de ces matériaux. Elle
est en effet de 10 à 20% plus élevée que celle des
alliages structuraux utilisés actuellement tels que les
alliages légers, les aciers et les superalliages, pour
la fabrication de pièces devant travailler dans des
régimes vibratoires proches de limite de résonance,
voire au-delà, tels que certains arbres de puissance de
turbine ou certaines buses ou canalisations d'injection
de fluide.
Les propriétés de résistance à la corrosion de ces
alliages leur permettent d'être utilisés pour la
fabrication de résistors de four ou de tubes
d'échangeur de chaleur.
Etat de la technique
Dans un domaine de composition compris entre 25 à
50% d'aluminium, un alliage intermétallique fer-aluminium
présente une phase cristalline ordonnée de
structures cubiques centrées de type B2. Cette phase
ordonnée, appelée encore première phase, possède une
excellente résistance en environnement oxydant,
sulfurant ou carburant, jusqu'à 1000°C, et une bonne
résistance à l'érosion. Mais elle présente cependant
une grande fragilité à température ambiante et une
limite élastique et une résistance au fluage, peu
élevées à haute température.
Les alliages intermétalliques fer-aluminium sont
actuellement fabriqués par des procédés d'extrusion, à
partir de mélanges de poudre comprenant essentiellement
du fer et de l'aluminium.
De nombreuses recherches ayant pour but
d'améliorer la résistance et la ductilité des alliages
intermétalliques fer-aluminium obtenus par extrusion
ont été effectuées. Ces recherches ont essentiellement
porté sur la composition des poudres utilisées pour la
fabrication de ces alliages et sur la granulométrie de
ces poudres pour obtenir par extrusion un alliage
intermétallique fer-aluminium ductile et résistant.
Ainsi, il a été montré que la phase cristalline
ordonnée de cet alliage supporte l'addition de divers
éléments supplémentaires qui renforcent les propriétés
mécaniques de l'alliage. Ces éléments supplémentaires
peuvent être par exemple du nickel, du cobalt, du
titane, du magnésium, du zirconium, du bore, du chrome,
du cérium ou un mélange de ces éléments, etc... dans
des proportions et en combinaison variables.
Il a également été montré qu'il est possible de
renforcer un tel alliage en y introduisant en plus des
éléments supplémentaires précédemment cités, des
dispersoïdes, c'est-à-dire des particules dites de
seconde phase, très fines et bien dispersées d'oxydes
très stables tels que par exemple Al2O3, Fe2O3, ou Y2O3.
La fabrication de ces alliages intermétalliques
fer-aluminium par extrusion présente cependant un
certain nombre d'inconvénients qui sont notamment un
coût élevé, et une forte réduction de section des
pièces fabriquées lors de l'extrusion, ce qui limite
considérablement les dimensions diamétrales de ces
pièces. Un autre inconvénient est que les alliages
intermétalliques fer-aluminium sont difficiles à
usiner, et lorsque la forme des pièces à fabriquer
s'éloigne par exemple d'une forme de cylindre, celle-ci
peut requérir un usinage important.
Exposé de l'invention
L'invention a précisément pour but de fournir un
procédé de fabrication d'un alliage intermétallique
fer-aluminium présentant un coût de fabrication de
l'alliage nettement inférieur à celui entraíné par un
procédé d'extrusion. De plus, le procédé de l'invention
permet de fabriquer un alliage présentant une
résistance mécanique élevée et une ductilité suffisante
pour de nombreuses applications.
Le procédé de fabrication d'un alliage
intermétallique fer-aluminium selon l'invention
comprend les étapes suivantes :
- préparation d'une poudre de granulométrie
déterminée à partir d'un mélange comprenant du
fer et de l'aluminium,
- un dégazage de ladite poudre, et
- une compression à chaud de la poudre dégazée de
manière à obtenir un alliage intermétallique
fer-aluminium.
Selon l'invention, la poudre peut comprendre en
outre un élément choisi parmi du nickel, du cobalt, du
titane, du magnésium, du zirconium, du bore, du chrome,
du cérium, ou un mélange de ces éléments.
Selon l'invention, la poudre peut comprendre par
exemple de 20 à 50% en poids d'aluminium, et peut
comprendre en outre de 0,05 à 0,5% en poids de
zirconium, de 0,001 à 0,02% en poids de bore, le reste
étant du fer et des impuretés inévitables.
Selon l'invention, la poudre peut comprendre
environ 21 à 28% en poids d'aluminium, et peut
comprendre en outre environ 0,08 à environ 0,14% en
poids de zirconium, environ 0,012 à environ 0,018% en
poids de bore, le reste étant du fer et des impuretés
inévitables.
Selon l'invention, la granulométrie de la poudre
peut être comprise dans une plage allant de 10 à
500 µm, de préférence dans une plage allant de 10 à
50 µm.
Selon l'invention, le procédé peut comprendre en
outre une étape de dispersion dans la poudre d'un oxyde
choisi parmi Y2O3, Al2O3, Fe2O3, ou d'un mélange de ces
oxydes, sous forme d'une poudre nanométrique.
Selon l'invention, le procédé peut comprendre en
outre une étape de dispersion dans la poudre d'environ
0,5 à environ 1,5% en poids de Y2O3 sous forme d'une
poudre nanométrique, de préférence environ 1% en poids
de Y2O3.
Selon l'invention, la poudre peut être préparée
par un broyage à sec dudit mélange sous un gaz neutre.
Ce broyage à sec peut être réalisé par exemple dans un
broyeur à boulets.
Selon l'invention, la poudre est ensuite dégazée
par exemple au moyen d'une pompe à vide.
Selon l'invention, la compression à chaud de la
poudre dégazée peut être effectuée à une température
allant d'environ 900 à environ 1300°C, de préférence à
une température allant d'environ 1000 à environ 1200°C.
Selon l'invention, la compression à chaud de la
poudre dégazée peut être effectuée à une pression
allant d'environ 50 à environ 400 MPa, de préférence à
une pression d'environ 100 MPa.
Selon l'invention, la compression de la poudre
peut être effectuée à pression variable ou à pression
isostatique.
Selon l'invention, on peut effectuer la
compression pendant une durée allant d'environ 0,5 à
environ 4 heures, de préférence pendant une durée
d'environ 2 heures.
L'invention se rapporte également à un alliage
intermétallique fer-aluminium pouvant être obtenu par
le procédé de l'invention, ledit alliage comprenant du
fer, de l'aluminium, du zirconium, du bore, et de
l'oxyde d'yttrium, et présentant un allongement
d'environ 1,5% et une limite élastique d'environ
960 MPa.
L'invention se rapporte également à un alliage
intermétallique fer-aluminium pouvant être obtenu par
le procédé de l'invention, ledit alliage comprenant du
fer, de l'aluminium, du zirconium, du bore, et de
l'oxyde d'yttrium et présentant un allongement
d'environ 0,2 à environ 0,8% et une limite élastique
d'environ 1240 MPa.
L'invention consiste donc notamment à densifier
une poudre de granulométrie déterminée à partir d'un
mélange comprenant du fer et de l'aluminium, au moyen
d'un pressage à chaud.
De façon surprenante, l'alliage dense obtenue par
ce procédé présente des propriétés tout à fait
surprenantes pour de nombreuses applications. Cet
alliage présente en particulier une résistance
mécanique pouvant atteindre ou dépasser 1000 MPa et une
ductilité pouvant dépasser 1%.
De plus, le procédé de l'invention ne présente pas
les inconvénients précités des procédés d'extrusion de
l'art antérieur.
La présente invention permet en outre de fabriquer
des éléments en alliage intermétallique fer-aluminium
de grandes dimensions. En effet, la compression de la
poudre dégazée peut être réalisée dans un conteneur ou
moule pouvant aller par exemple jusqu'à 1 mètre de
diamètre et 2 mètres de hauteur, sans que ces limites
soient absolues, pour obtenir un élément en alliage
intermétallique fer-aluminium ayant sensiblement les
mêmes dimensions que le conteneur.
De plus, le conteneur ou moule peut avoir une
forme complexe pour réaliser des éléments en alliage
intermétallique fer-aluminium de forme complexe sans
forcément avoir recours à un usinage.
Le procédé de l'invention permet en outre de
fabriquer des éléments en alliage intermétallique fer-aluminium
près des cotes ou aux cotes, c'est-à-dire que
les pièces ainsi fabriquées ne nécessitent pas, ou peu,
d'usinage ultérieur.
Il existe en conséquence de nombreux exemples
d'application de l'invention à la fabrication
d'éléments ou pièces en alliage intermétallique fer-aluminium.
Parmi eux, on peut citer par exemple sans être
limitatif :
- la fabrication de pièces structurales
automobiles, aéronautiques et spatiales :
boulonneries, trains d'atterrissage, pièces de
systèmes de freinage, etc...
- la fabrication de pièces critiques en mouvement
de moteurs thermiques et de turbomachines, tels
que les soupapes, les axes et arbres, les
vilebrequins et pistons, les aubes de turbine ;
- la fabrication de pièces devant travailler dans
des régimes vibratoires proches de limites de
résonance, voire au-delà telles que certains
arbres de puissance de turbines ou certaines
buses ou canalisations d'injection de fluides ;
- la fabrication de résistors de fours ou de
tubes d'échangeurs de chaleur ou de pièces
soumises à des conditions difficiles de
corrosion sèche.
L'exposé de l'invention est ci-après illustré par
un mode de réalisation donné à titre d'exemple non
limitatif.
Exemple 1
Dans une première étape du procédé de l'invention,
une poudre de granulométrie déterminée est préparée à
partir d'un mélange comprenant 24% en poids
d'aluminium, 0,11% de zirconium, 0,0026% en poids de
bore, le reste étant du fer et des impuretés
inévitables. Ce mélange est mis en fusion pour être
coulé sous forme de lingots.
Ces lingots sont ensuite atomisés sous argon afin
d'obtenir une poudre pré-alliée fine et sphérique.
Cette poudre pré-alliée est ensuite broyée à sec
sous argon dans un broyeur à boulet, en ajoutant au
début du broyage 1% en poids de Y2O3.
Une poudre de granulométrie comprise entre 50 et
300 est obtenue.
Toutes les étapes de cet exemple sont réalisées
dans des conditions permettant de limiter la
contamination par l'atmosphère ou par des inclusions
exogènes.
L'opération de broyage introduit une quantité
d'environ 0,03% en poids d'oxygène et d'environ 0,01%
en poids de carbone dans l'alliage. Le carbone provient
de l'usure des billes du broyeur à boulets au cours du
broyage.
La poudre broyée est mise dans un conteneur et
densifiée par compression isostatique à chaud à une
température de 1100°C sous une pression de 100 MPa
pendant 2 heures.
Une pièce en alliage intermétallique près des
cotes ou aux cotes est obtenue.
Les propriétés mécaniques de l'alliage obtenu ont
été déterminées dans les conditions les moins
favorables à la ductilité d'un tel alliage, c'est-à-dire
sur une pièce usinée non polie, sous air
déshydraté et à une vitesse de traction faible.
Les avantages en termes de résistance mécanique et
de ductilité sont très nets. En particulier, cet
alliage présente un allongement de 1,5% et une limite
élastique de 960 MPa à température ambiante.
Exemple 2
A partir d'une poudre identique à celle préparée
dans l'exemple 1, et dans les mêmes conditions, la
poudre broyée est mise dans un conteneur et densifiée
par compression isostatique à chaud à une température
de 1000°C et sous une pression isostatique de 100 MPa
pendant 2 heures.
Une pièce en alliage intermétallique fer-aluminium
près des cotes ou aux cotes est obtenue.
Cet alliage présente un allongement de 0,2 à 0,8%
et une limite élastique de 1240 MPa.